Energoelektronika

Elektrotechnika III rok

Przekształtniki jednofazowe

cz. I – prostowniki diodowe

Instrukcja do ćwiczenia

© Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH

Kraków 2005

PRZEKSZTAŁTNIKI JEDNOFAZOWE – CZ. 1

1. PRZEKSZTAŁTNIKI ENERGOELEKTRONICZNE.

W ujęciu ogólnym przekształtnikami nazywamy układy energoelektroniczne służące do

przekształcania energii elektrycznej o parametrach u1, i1, f1 na energię elektryczną o parametrach

u2, i2, f2. W przypadku prądów przemiennych możemy mieć układy jedno, trójfazowe, lub

wielofazowe. Zarówno po stronie zasilania jak i po stronie obciążenia możemy mieć napięcie (albo

prąd) stały lub przemienny. Wyróżniamy przez to cztery podstawowe grupy przekształtników

energoelektronicznych. Jedną z nich są prostowniki służące do przekształcania napięć

przemiennych w napięcia stałe (jednokierunkowe).

2. PRZEKSZTAŁTNIKI JEDNOFAZOWE.

Układy przekształtnikowe jednofazowe to układy, w których transformator zasilający jest

podłączony do sieci jednofazowej. Transformatory prostownikowe dopasowują przede wszystkim

wartość napięcia linii zasilającej do wymagań odbiornika. Oprócz tego transformatory te

ograniczają wpływy zakłóceń powstających w linii zasilającej na przekształtnik oraz wpływ

pracującego przekształtnika na linię zasilającą. Indukcyjności rozproszenia uzwojeń transformatora

prostownikowego znacznie ograniczają także prądy zwarciowe. Najczęściej używanymi

elementami półprzewodnikowymi służącymi do przekształcania energii elektrycznej w

przekształtnikach jednofazowych są diody oraz tyrystory.

Ze względu na kierunek prądu w obciążeniu układy dzielimy na nawrotne i nienawrotne.

Inny podział jest związany z charakterem napięcia wyprostowanego, które może być półokresowe

(połówkowe, jednopulsowe) lub pełnookresowe (dwupołówkowe, dwupulsowe). Przebieg czasowy

napięcia wyjściowego jednokierunkowego ( napięcia wyprostowanego) składa się z odpowiednich wycinków (impulsów) napięć sinusoidalnych zasilających prostownik. Od liczby pulsów napięcia i

prądu wyprostowanego przypadającej na okres napięcia przemiennego linii zasilającej prostownik

wywodzą się nazwy prostowników, np. prostownik, którego napięcie wyprostowane zawiera w

okresie napięcia linii zasilającej dwa pulsy jest prostownikiem dwupulsowym.

Wyróżnia się kilka podstawowych rodzajów obciążenia tych układów:

-

obciążenie rezystancyjne R,

-

obciążenie rezystancyjno-indukcyjne RL,

-

obciążenie rezystancyjno-indukcyjne ze źródłem napięcia RLE.

-

obciążenie pojemnościowe C (najczęściej jako filtr napięcia wyjściowego).

3. PROSTOWNIKI DIODOWE.

Układami prostowniczymi (prostownikami) są nazywane układy energoelektroniczne,

służące do przekształcania napięć przemiennych na napięcia jednokierunkowe. Z reguły zasilane są

one napięciem sinusoidalnym. W wielu układach regulacji automatycznej lub sterowania urządzeń

przemysłowych, głównie dużej mocy, istnieje konieczność ciągłego nastawiania wartości napięcia

wyjściowego lub prądu. W przypadku układów z diodami mówimy o przekształtnikach

niesterowanych, ponieważ z właściwości diody wiadomo iż jest to element niesterowany, i nie jest

zatem za jego pomocą regulacja wartości napięcia (prądu) na obciążeniu. W układach tych

regulację wartości napięcia wyprostowanego na obciążeniu można uzyskać jedynie poprzez zmianę

przekładni transformatora zasilającego lub też przez włączenie rezystorów szeregowo z

obciążeniem. ten drugi sposób jest jednak mało efektywny energetycznie z uwagi na straty

powstające w dodatkowych rezystorach.

Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2005 2

PRZEKSZTAŁTNIKI JEDNOFAZOWE – CZ. 1

Każdy prostownik można scharakteryzować za pomocą następujących podstawowych parametrów:

-

sprawność energetyczna ηp – stosunek mocy wydzielanej w obciążeniu do mocy pobieranej ze

źródła zasilającego,

-

współczynnik tętnień kt – stosunek wartości skutecznej składowej zmiennej do wartości

składowej stałej napięcia na wyjściu prostownika,

Przed doborem rodzaju diod prostowniczych do danego typu przekształtnika konieczne jest

określenie częstotliwości napięcia zasilającego oraz wartości natężenia prądu odbiornika. W

przypadku większych napięć lub prądów diody prostownicze łączy się ze sobą szeregowo lub

równolegle

4. PROSTOWNIK DIODOWY JEDNOPOŁÓWKOWY.

Najprostszym układem prostownika jednofazowego jest prostownik jednopołówkowy.

Zbudowany jest z transformatora który obniża napięcie sieciowe na niższe, diody prostowniczej -

która prostuje prąd i napięcie, obciążenia. Jednak w wielu przypadkach transformator może być pominięty, jeśli napięcie sieci jest odpowiednie do zasilania obciążenia. W tym przypadku nie ma

jednak separacji strony zasilającej (sieciowej) i obciążenia.

Rys. 1. – Schemat prostownika diodowego jednopołówkowego.

Na stronie wtórnej transformatora otrzymujemy napięcie sinusoidalne. Przy dodatniej

połowie (półfali) napięcia zasilającego, gdy wartość chwilowa tego napięcia jest dodatnia (u > 0), dioda znajduje się w stanie przewodzenia. Prąd płynie w obwodzie przez uzwojenie wtórne

transformatora, diodę (znajduje się ona teraz w stanie przewodzenia) oraz przez obciążenie. Kształt

prądu, ponieważ odbiornik jest rezystancyjny, również jest suinusoidalny i ograniczony rezystancją

do wartości i=u/R. W drugiej półfali napięcie zmienia znak, u < 0. Ponieważ ujemne napięcie zasilające powoduje polaryzację zaporową diody, to dioda w tym stanie nie przewodzi. Prąd w obwodzie nie płynie, i do końca okresu jest on równy zeru. Ponowny przepływ prądu następuje od

początku drugiego okresu, gdy napięcie ma znowu wartość dodatnią i dioda przechodzi w stan

przewodzenia. Przez rezystancję płynie prąd jednokierunkowy, tętniący.

Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2005 3

PRZEKSZTAŁTNIKI JEDNOFAZOWE – CZ. 1

Rys. 2. Przebiegi napięcia zasilającego U(t), prądu obciążenia Io(t) oraz napięcia na obciążeniu dla

prostownika diodowego jednopołówkowego z rysunku 1.

Załóżmy że sinusoidalne napięcie zasilające U(t) ma wartość maksymalną Um

U(t)=Umsinωt,

Zakładając iż dioda jest idealnym zaworem, i prąd w kierunku wstecznym pomijamy (w

rzeczywistości jest on rzędu pojedynczych mikroamperów), można zapisać iż wartość chwilowa

prądu w obwodzie jest określona zależnościami:

u( t)

U

i( t) =

= m sin ωt

dla

0 < ωt < π

R

R

i( t) = 0

dla

π ≤ ωt ≤ π

2

Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2005 4

PRZEKSZTAŁTNIKI JEDNOFAZOWE – CZ. 1

Wartość średnia napięcia wyprostowanego na obciążeniu wyraża się wzorem:

π

π

1

U

U

U

d

u ( t)

m

sin td ( t)

m ,

0sr =

∫ ω = ∫ ω ω =

π

2

π

2

π

0

0

Ponieważ w praktyce częściej używamy dla przebiegów sinusoidalnych wartości skutecznej, to

korzystając z zależności Um = 2 Usk

Stąd też, po podstawieniu otrzymamy:

U

U

m

⋅ 2

U

=

sk

=

= 0, U

45

0sr

sk

π

π

Ze względu na duże tętnienia i małą sprawność energetyczną, prostownik ten jest rzadko

stosowany.

5. PROSTOWNIK DIODOWY JEDNOPOŁÓWKOWY – Z DWOMA DIODAMI.

W tym układzie w uzwojeniu wtórnym transformatora Tr wykorzystywany jest środkowy odczep w

celu uzyskania dwóch napięć sinusoidalnych o jednakowych amplitudach i fazach, tak jak to

pokazano na rysunku 3.

Rys. 3. Schemat prostownika diodowego dwupołówkowego, zasilanego z transformatora z

dzielonym uzwojeniem wtórnym.

Przebiegi napięć i prądów w tym układzie, obrazujące zasadę jego działania przedstawiono na

rysunku 4.

Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2005 5

PRZEKSZTAŁTNIKI JEDNOFAZOWE – CZ. 1

Rys. 4. - Przebiegi napięć i prądów w prostowniku zasilanym z transformatora o dzielonym

uzwojeniu wtórnym.

W ciągu pierwszej (dodatniej) połowy okresu, gdy napięcia na obu sekcjach wtórnego

uzwojenia transformatora są dodatnie, czyli u>0, dioda D1 spolaryzowana jest w stan

przewodzenia.. Wówczas prąd płynie drogą pokazaną kolorem czerwonym na poniższym rysunku –

od uzwojenia przez diodę D1 i obciążenie.

Rys. 5. – Przepływ prądu w układzie w dodatnim półokresie napięcia zasilającego.

Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2005 6

PRZEKSZTAŁTNIKI JEDNOFAZOWE – CZ. 1

W czasie ujemnego półokresu napięcia zasilającego, sytuacja odwraca się, i przewodzi dioda D2.

Średnia wartość wyprostowanego napięcia, w tym przypadku wynosi:

2

U

= U

0 sr

m

π

korzystając z zależności Um = 2 Usk otrzymamy:

2 ⋅ U

U

m

⋅ 2 ⋅ 2

U

=

sk

=

= 0 U

,9

0sr

sk

π

π

Zatem wartość średnia napięcia wyjściowego tego prostownika jest razy większa niż w

układzie prostownika jednopołówkowego pracującego z tym samym przemiennym napięciem

wejściowym i przy tym samym obciążeniu.

Należy zwrócić uwagę, że maksymalna wartość napięcia wstecznego występującego na

diodach w układzie transformatorowym jest dwukrotnie większa niż w układzie prostownika

jednopołówkowego, przy założeniu jednakowych napięć zasilania, co jest istotną wadą tego

układu.

6. JEDNOFAZOWY MOSTEK DIODOWY (MOSTEK GRAETZA)

Wymienione wcześniej układy mają pewne wady i zalety. Dla układu z jedną diodą atutem

jest prosta budowa, zaś wadą – duże tętnienia napięcia na obciążeniu oraz mała sprawność

energetyczna. Wad tych pozbawiony jest układ z dwoma diodami, lecz tutaj konieczne jest

zastosowanie większego transformatora. Wspomnianych niedogodności nie posiada układ mostka

jednofazowego, który łączy w sobie zalety obu układów. Schemat mostka diodowego,

jednofazowego przedstawiono na rysunku 6.

Rys. 6. Schemat prostownika mostkowego jednofazowego.

Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2005 7

PRZEKSZTAŁTNIKI JEDNOFAZOWE – CZ. 1

W czasie dodatniego półokresu napięcia zasilającego prąd płynie ze źródła zasilającego przez diodę

D3, obciążenie oraz diodę D2 z powrotem do źródła zasilającego, tak jak na rysunku 7.

Rys. 7. – Praca prostownika mostkowego jednofazowego podczas dodatniego półokresu napięcia

zasilającego.

W czasie półokresu ujemnego przewodzenie jest przejmowane przez diody D4 oraz D1. Pracę

układu ilustrują przebiegi przedstawione na rysunku 8.

Rys. 8 . – Przebiegi napięć i prądu obciążenia w układzie prostownika mostkowego jednofazowego

z obciążeniem rezystancyjnym.

Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2005 8

PRZEKSZTAŁTNIKI JEDNOFAZOWE – CZ. 1

Średnia wartość wyprostowanego napięcia, w tym przypadku wynosi:

π

1

2

U

=

U sin td

ω ( t

ω ) = U

∫

0sr

m

m

π

π

0

Korzystając z zależności Um = 2 Usk otrzymamy:

2 ⋅ U

U

m

⋅ 2 ⋅ 2

U

=

sk

=

= 0 U

,9

0sr

sk

π

π

Średnia wartość napięcia wyprostowanego wynosi 0,9 skutecznej wartości napięcia

zasilania, sprawność napięciowa ok. 0,637. W przypadku prostownika dwupołówkowego

współczynnik tętnień (iloraz wartości skutecznej składowej zmiennej i składowej stałej napięcia wyprostowanego) wynosi 0,48. Częstotliwość tętnień napięcia wyprostowanego jest dwukrotnie

wyższa od częstotliwości napięcia zasilania.

Zatem wartość średnia napięcia wyjściowego tego prostownika taka sama jak w układzie z

dwoma diodami, zasilanego tym samym przemiennym napięciem wejściowym i przy tym samym

obciążeniu. Natomiast jest dwa razy większa niż w układzie prostownika jednopołówkowego.

Tak więc mostek jednofazowy umożliwia korzystanie z jednego uzwojenia transformatora

zasilającego, jak układ z jedną diodą, dając przy tym na obciążeniu napięcie wyprostowane

dwupołówkowo, jak układ prostownika z dwoma diodami.

Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych AGH, Kraków 2005 9